如何利用前沿调制改善功率因数和电源性能

一般，我们要使用一个双级功率系统的电源，来满足80+计划功率因数要求和EN61000-3-2谐波电流要求，其具体如下：

1.一个功率因数校正（pFC）升压预稳压器（第1级），用于整形输入电流和供应高功率因数。

2.由于pFC升压电压非常高，因此要求一个次级（第2级）将这种高升压电压调低至可用输出电平。

这种方法存在的重要问题是，在功率转换器前端添加一个次级，降低了电源的效率。这让其很难达到80+电源计划的高效率要求。

为了消除给离线功率转换器添加pFC前端级所出现的损耗，一些设计人员使用了各种各样的pFC拓扑结构，例如：可降低开关损耗的pFC升压跟随器和/或能够减少传导损耗的交错式pFC.

降低损耗的另一种方法是，设计一个使用前沿脉宽调制（pWM）的主级（第1级）和使用传统后沿调制的次级（第2级）。本文将为您介绍什么是前沿调制，以及它是如何通过减少升压电容器（IC）中的高频RMS电流来提高效率的。

后沿与前沿脉宽调制

后沿脉宽调制比较器通过比较锯齿电压波形（OSC）和误差电压（ERR）来控制功率转换器占空比（D）。一般，误差电压由一个反馈运算放大器控制。在后沿脉宽调制中，OSC引脚被馈送给脉宽调制比较器的负输入，而误差电压则馈送至脉宽调制比较器的非反相输入。脉宽调制比较器的输出用于控制功率转换器（QA）的FET栅极。该栅极驱动导通信号与OSC信号波谷同步。在这种配置结构中，FET栅极驱动的后沿经过调制，以达到功率转换器占空比（D）。该后沿为FET关断时（请参见图1）。

图1：使用功率因数校正的双级离线功率转换器。

请注意，在脉宽调制控制器中，在每个脉宽调制周期之前添加一个人为停滞时间，其在每个脉宽调制周期开始以前关闭功率级开关。必须使用停滞时间来防止出现100%占空比，从而防止出现磁饱和。要注意的是，为了简便起见，图1并未显示停滞时间。

前沿调制脉宽调制稍微不同于后沿调制。OSC信号馈送至非反相脉宽调制比较器输入，而误差电压则馈送给反相引脚。FET（QB）关闭与OSC峰值电压和前沿同步，当FET导通时对前沿进行调制以达到占空比（请参见图2）。

图2：后沿与前沿pWM。

前后沿调制一起使用的好处

首先，我们来看使用后沿调制控制图1所示功率级Q1和Q2时pFC升压电容器电流（IC）。请注意，我们将pFC控制电压（ERR1）与振荡器斜率（OSC）进行比较，以控制pFCFET（Q1）的导通和关断时间。另外，DC/DC转换器（第2级）控制电压（ERR2）与振荡器斜线比较，以控制FETQ2的导通和关断时间。

在振荡器运行初期正常工作情况下，两个FET同时导通（t1，案例A）。在这段时间内，pFC升压电容器（CBOOST）必须对进入第2个功率级的所有电流（IT1）供应支持。在这种配置结构中，在FET开关期间，有一段时间FETQ1导通而Q2为关断，这时pFC升压电感（L1）通电，而功率级2的初级线圈不要求任何电流。这时，没有电流（IC）进入升压电容器。所有电感电流均流经晶体管Q1.

同样，有一段时间两个FETQ1和Q2均为关断。这时，CBOOST传导所有升压电感电流，其流经二极管D1（ID1）。请注意，图3为一张随意照下来的图片。正常工作情况下，第1级的占空比随线压而变化，以保持pFC升压电压。功率级2的占空比在正常工作时保持恒定不变，因为输入/输出电压为固定。

其次，我们通过控制前沿调制控制的FETQ1和后沿调制的FETQ2，研究其关于升压电容器电流（IC）的影响（图3“案例B”）。在这种评估过程中，FETQ1和Q2的导通时间和占空比与“案例A”情况相同。

在这种配置结构中，FETQ2在振荡器谷底导通，并根据pWM比较器电压水平关断。FETQ1根据前沿pWM比较器导通，并在振荡器峰值时关断。相比使用前沿调制的两个功率级，利用前沿/后沿pWM调制组合法错开安排FET的首次导通，可以缩短FETQ1和Q2同时导通的时间（t1，“案例B”）。

与“案例A”情况类似，有一段时间（t2）Q1导通而Q2关断，并且没有电流进出升压电容器（IC）。同样，有一段时间（t3，“案例B”）两个FET均关断，并且要通过CBOOST吸收ID1.在“案例B”中，有一段时间FETQ2导通而Q1关断。这时，进入升压电容器的电流为ID1，其小于IT1（t4，“案例B”）。

相比两个功率级都使用后沿调制控制，这种使用前沿/后沿调制控制的方法，可以减少FETQA和QB同时导通的时间。它带来更低的升压电容器RMS电流（IC）。

相比控制使用后沿调制的两个功率级，这种配置结构中使用的前沿/后沿调制，升压电容器（IC）RMS电流减少30%.

升压电容器中RMS电流的减少，可以降低升压电容器ESR损耗，从而提高整体系统效率。